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响应面法优化黄粉虫幼虫油脂提取工艺

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第46卷第8期 2 0 1 0年8月 林 业 科 学 Vo1.46.No.8 Aug.,2 0 1 0 SCIENTIA SILVAE SINICAE 响应面法优化黄粉虫幼虫油脂提取工艺 :l: 付 勇 严善春 李小平 (1.东北林业大学林学院林木遗传育种与生物技术教育部重点实验室哈尔滨150040;2.大兴安岭塔河林业局森林保护站塔河165200) 摘要: 以黄粉虫幼虫为原料,石油醚作溶剂提取其油脂,并利用响应面分析法对在单因素试验基础上选取的提 取温度、提取时间和提取料液比3个主要影响因素进行提取工艺优化,得出黄粉虫幼虫油脂提取的最佳工艺条件 为:提取温度87.9 oC、提取时间10.1 h、提取料液比2:5O,在此提取条件下油脂的实际提取率可达31.51%,比单 因素试验最高提取率高出2.34%。利用响应面分析法可优化黄粉虫幼虫油脂提取工艺,得到理论最佳提取条件, 验证结果表明该方法科学、高效。 关键词:资源昆虫;黄粉虫;油脂 提取;响应面分析 中图分类号:TS224.4 文献标识码:A 文章编号:1001—7488(2010)O8—0125—05 Technique Optimization for Extracting Tenebrio molitor Lipid by Response Surface Methodology Fu Yong。 Yan Shanchun Li Xiaoping (1.Forestry college,Northeast Forestry University Key Laboratory of Forestry Tree Genetic Improvement and Biotechnology of Min ̄ty orf Education Harbin 150040;2.Tahe Forest Protection Station in Daxing’anling Tahe 165200) Abstract:To eficientfly use lipid of resource insects,petroleum ether was used as impregnant to extract lipid from Tenebrio molitor.Aiming at optimization of the extraction of molitor lipid。one—factor tests was firstly used respectively to test temperature,duration and solvent/material ratio effect.And then on the basis of previous results and according to the Box Benhnken test design principles,the model of response surface methodology(RSM)with 3 factors and 3 levels was adopted.Response surface and contour were finally graphed with the extraction rate of value.The results showed that the optimum conditions of molitor lipid as the response molitor lipid extraction were:extraction temperature: 87.9 oC,extraction time:1 0.1 h,extraction ratio of material to solvent:2:50.The real extraction rate of under these conditions was up to 31.51%,and it was 2.34%molitor lipid higher than the best result of one—factor tests.Technigues of lipid extraction were improved by response surface methodology,the extraction rate was higher.The result suggest that the new method iS effective and economica1. Key words: resource insect;Tenebrio molitor;lipid;extraction;response surface methodology 黄粉虫(Tenebrio molitor),也叫大黄粉虫、黄粉 甲,俗称面包虫,属昆虫纲(Isecta),鞘翅目 (Cleoptera),拟步行虫科(Tenebrionidae),粉虫属 开发利用的一种昆虫。长期以来,由于缺乏对黄粉 虫立体开发利用的系统研究,对黄粉虫的利用仅限 于食品加工、饲料方面,使大量的营养资源被浪费。 在我国对昆虫资源的产业化利用相对集中在以 蛋白质(陆婕等,2007;吴玛莉等,2008;严善春等, 2005)、氨基酸类和碳水化合物类为主体的功能性 产品的开发利用上(刘高强等,2008;王敦等, 2004),昆虫油脂及脂肪酸类的功能性产品有很大 的发展空间。 (高爱华等,2005),该虫在中国分布广,资源丰富, 容易养殖,成本低,是一种生理、遗传学常用的试验 材料,同时也是极具开发潜力的重要资源昆虫。黄 粉虫具有丰富的营养成分,味道鲜美,素有“动物蛋 白饲料之王”的称誉(王文亮等,2005;2007),而且 有研究发现该虫经诱导能产生抗菌肽(黄文等, 2005;王立新等,2009),这些抗菌物质对多种植物 病原菌有抑菌作用(王小平等,1998),因此,是值得 收稿日期:2009—04—20;修回日期:2009—12—03。 黄粉虫幼虫油脂是一种优良的油脂资源(万本 屹等,2001),但目前国内外有关黄粉虫油脂的研究 基金项目:教育部国家科技基础条件平台建设专项(2005DK21105)。 严善春为通讯作者。响应面数据分析系在东北林业大学林木遗传育种教研室夏德安老师指导下完成,谨致谢忱。 126 林业科学 46卷 仅有少量报道,对其脂肪酸的分析、分离及功能性的 研究也处于初级阶段。本文针对黄粉虫幼虫油脂的 提取工艺进行探索,是充分开发利用黄粉虫资源的 基础,对提高黄粉虫的经济价值和营养价值有重要 意义。 1材料与方法 1.1材料与备品 黄粉虫10龄幼虫,哈尔滨市售;石油醚(天津 市百世化工有限公司,60~90℃沸程),分析纯。 索氏提取装置;FWIO0型高速万能粉碎机(天 津市泰斯特仪器有限公司);XS365M型电子分析 天平(Precisa Instruments Ltd./Switzerland);RE一52A 型旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂);SHB一2000 型循环水真空泵(郑州杜甫仪器厂);DHG一9240型 电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司); DK一¥26型电热恒温水浴锅(上海森信实验仪器有限 公司)。 1.2试验方法 1.2.1 油脂提取黄粉虫幼虫一60℃热水致死一 60℃烘干至恒质量一万能粉碎机粉碎一幼虫干粉 6 g一150 mL石油醚一索氏提取一旋转蒸发一粗油 脂。油脂提取率=(粗油质量÷幼虫干粉质量) ×100%。 I.2.2单因素试验 以石油醚作溶剂(李孟楼等, 2006),采用索氏提取法提取黄粉虫幼虫油脂,分别 考察提取温度、时间及料液比对油脂提取率的影响。 1.2.3优化试验 采用响应面分析法,根据Box Benhnken中心组合试验设计原理(Val4ria et a1., 2006;Mehran et a1.,2008;Zafor et a1.,2009),在单 因素试验的基础上,确定提取温度、时间、料液比作 为中心组合试验因子。 1.3数据分析 单因素试验数据分析采用Microsoft Excel软 件;优化试验数据分析使用SAS System for Windows 9.0。 2结果与分析 2.1 单因素对油脂提取率的影响 影响黄粉虫油脂提取率的因素很多,其中提取 温度、提取时间及提取料液比是比较主要的影响因 素,本研究在进行响应面分析前,先通过单因素试验 确定试验因素与水平。 2.1.1 温度对油脂提取率的影响在提取时间8 h 条件下,分别考查70,75,80,85,90℃对油脂提取率 的影响,试验结果如图1所示。 童 委 褥 磐 舞 图1 不l司提取温度对油脂提取翠的影响 Fig.1 Effects of extraction temperature on extraction ratio 从图1中可以看出,随着温度的升高,油脂的提 取率先上升后略有下降,在85℃时油脂提取率达到 最大。温度影响提取率的主要原因是石油醚的沸腾 及循环,温度较低时石油醚的循环速度比较慢,随着 温度的升高提取粘度减小,扩散系数增加,循环速度 加快,提取率不断上升,但当温度过高时,导致石油 醚挥发,溶剂量减少,致使提取率不但没有继续上升 反而略有降低。 2.1.2 时间对油脂提取率的影响 在温度85℃条 件下,分别考查4,6,8,10,12 h对油脂提取率的影 响,试验结果如图2所示。 图2不同提取时间对油脂提取率的影响 Fig.2 Effects of extraction time on extraction ratio 从图2可以看出,在提取时间低于8 h时,虫油 提取率随时间的增加而迅速升高,这是由于随着时 间的增加,虫粉内的油脂随着石油醚的沸腾而不断 被提取出来,进入溶剂,当时间超过8 h,油脂提取率 不再上升,反而略有下降,可能是由于时间过长导致 油脂部分挥发所致。因此,最佳提取时间为8 h。 2.1.3 料液比对油脂提取率的影响 称取黄粉虫 幼虫粉末3,6,9,12,15 g,分别加入150 mL石油醚, 在提取时间8 h、温度85℃条件下,考查不同料液比 对油脂提取率的影响,试验结果如图3所示。 从图3可以看出,随着虫粉加入量的增加,提取 率先升高后降低。在提取液用量确定的情况下,溶 质用量的增加提高了溶剂中虫油的浓度,减小了虫 粉与溶剂接触界面上的浓度差,从而降低了传质速 率,在一定范围内提油率减小,因而提取率偏低。在 料液比为2:50时提取效果最佳。 第8期 付勇等:响应面法优化黄粉虫幼虫油脂提取工艺 127 量取值在 。, , 所构成的三维定点,零点区域为 中心点,零点试验重复3次,以估计试验误差。 表2 中心组合试验设计与结果 Tab.2 Central composite experimental design and its results 提取料液比 Ratio ofmaterial to liquid({;,mL) 图3不同提取料液比对油脂提取率的影响 Fig.3 Effects of extraction material to liquid on extraction ratio 2.2 响应面法优化幼虫油脂提取工艺 2.2.1 油脂提取方案和试验水平 根据Box Benhnken的中心组合试验设计原理,综合前面单因 素试验所得结果,可以确定提取温度、时间、料液比 是对油脂提取率影响比较显著的因素,在单因素试 验的基础上,采用3因素3水平的响应面分析方法, 试验因素与水平设计见表1。 表1 中心组合试验因素水平编码表 Tab.1 Coded levels of variables of the central composite experimental design(CCD) 所得数据经SAS进行回归分析的结果见表3。 以幼虫油脂提取率为响应值,经回归拟合后,得到回 归方程: Y:28.895 6+2.263 60 1+4.328 31 2+ 1.683 82 3—1.541 18 一1.936 76 一2.744 12 2.2.2 响应面分析方案及结果对黄粉虫幼虫油 ;一0.485 294xl 2+0.426 471 l 3—1.702 94x2 3, 式中,y为黄粉虫幼虫油脂提取率,%; 为提取温 度,cI=; 比,g/mL。 脂提取工艺进行响应面分析的具体试验方案见表 2。15个试验分为析因点和零点,试验号1~12是 析因试验,l3~l5是中心试验。其中析因点为自变 为提取时间,h; ,为提取料液 表3油脂提取参数数学回归分析结果① Tab.3 Results of regression analysis of extraction factors for lipid extraction ①…”为显著(O.01<P≤0.05),…”’为极显著(P≤0.01)。…”means the difference is signiifcant at the 0.05 level,一”’means the difference is signiifcant at the 0.01 leve1. 128 林业科学 46卷 由表3可知,上述回归方程在描述各因子与响 应值之间的关系时,其因变量和全体自变量之间的 线性关系显著(R =0.969 6),响应值(油脂提取 摹  ’3O.OO 歪 率)的变化与提取温度、时间和料液比相关显著或 极显著。响应值与 。、X2X 和 。 。相关不显著,与 3、 2 2善 专 25.67 量 ∞ 和 3 2相关显著;与 1、 2和 3 3相关极显 静 ZI.33 译 l7 00 95 著。说明该回归方程对试验拟合情况好,可以很好 地描述各因素与响应值之间的真实关系。在一次项 和二次项中都有显著性因素,因此各试验因子对响 应值的影响不是简单的线性关系。所以,可以利用 该回归方程确定最佳提取工艺条件。 响应面图形是响应值l,对各试验因子 。, :和 所构成的三维空间曲面图,从响应面图上可清晰 地看出最佳参数及各参数之间的相互作用关系。当 特征值为正值时的响应面分析图为山谷形曲面,可 以得到极小值;当所有特征值为负值时则为山丘曲 面,有极大值存在;当特征值有正有负时为马鞍形 曲面,无极值存在(Sayan et a1.,2004)。根据回归方 程得出不同因子的响应面图及对应的等值线图见图 4~6。由各图可较为直观地看出各因素对黄粉虫幼 虫油脂提取率的影响,曲线越陡峭,表明该因素对油 脂提取率的影响越大,响应值的变化亦愈大。由等 值线图可以看出存在极值的条件应该在圆心处。从 图4—6可看出,提取时间对油脂提取率的影响最 大,温度的影响次之,料液比的影响最小。 34 33 30.00 冀25.67 幽 褥 罄2l-33 17 oo 9 Temperature/'C 时问Time/h 图4 Y=,( , )响应曲面图及其等高线 Fig.4 Response curved surface figure and its equal-height line of Y=,( l, 2) 料液比 Ratio ofmaterial to liquid(g/mL) 图5 Y=,( , )响应曲面图及其等高线 Fig.5 Response curved surface figure and its equal—height line ofY:,( I, ) 童30.00 号25.67 ∞ 得21.39 釜 辟f l7.OO 1 料液比 Ratio ofmaterial to liquid(g/mL) 图6 l,= :, ,)响应曲面图及其等高线 Fig.6 Response curved surface figure and its equal-height line of Y=,( 2,z3) 对回归方程求一阶偏导数,解得 = 0.576 374, 2=1.031 308, 3=0.031 590,代人变换 公式即得提取温度87.9 oC,提取时间10.1 h,提取 料液比2:50,此条件下黄粉虫油脂提取率预测值 为31.81%。 2.2.3 最佳条件的验证将黄粉虫干粉以2:50的 第8期 付勇等:响应面法优化黄粉虫幼虫油脂提取工艺 129 料液比在87.9 oC的条件下提取10.1 h,油脂提取率 为31.51%,为预测值的99.06%。可见该模型能很 好地反映出黄粉虫油脂的提取条件。 3结论与讨论 昆虫脂肪含量丰富,脂肪酸组成合理,完全可以 成为优质的食用油脂资源(王仲礼,2003),但其提 取技术是制约其深度加工利用的问题之一。本研究 优化了黄粉虫油脂的提取工艺,单因素试验中所得 最佳提取温度、时间、料液比分别为85 oC、8 h和2: 50,而对响应面回归方程求一阶偏导,并将所得的解 代入变换公式,得到的最佳理论提取温度、时间、料 液比分别为87.9 oC、10.1 h和2:50,与单因素的各 最佳条件有一定出入。这是由于单因素分析中各因 素的设定是固定梯度差,只能表现出最佳提取条件 的趋势,不能直接反映最佳提取点,也不能体现各因 素之间的相互影响,而响应面分析不仅可以反映出 各因素之间的相互影响,还可以反映出连续变化趋 势以及各因素相互作用下的理论最佳提取条件。 选用不同的溶剂会对昆虫油脂提取率产生较大 影响,如不同沸程的石油醚因其成分和极性的差异 会导致提取率的变化,王文亮等(2008)分析了不同 溶剂对黄粉虫油脂提取率的影响,结果表明60~90 ℃沸程的石油醚提取效果最佳,与本试验选取的溶 剂一致,并通过正交试验得到最佳提取率为 26.78%,但与本研究最佳提取率31.51%尚有一定 的差距。正交设计虽然可以考虑几种因素对试验的 影响,寻找最佳因素水平组合,但它不能在给出的整 个区域上找到各因素的最佳组合和响应值的最优 值。而响应面分析法是一种试验次数少、周期短、回 归方程精度高、能研究几种因素间交互作用的回归 分析方法。相比之下,响应面分析法求得的各参数 组合更加精确,可以大大降低生产实践过程中造成 的原料浪费。 本研究发现将粗提虫油久置后,虫油颜色不断 加深,状态变粘稠,甚至产生沉淀。这是因为油脂及 油脂食品在储存过程容易被氧化,产生氢过氧化物。 氢过氧化物发生聚合反应生成有毒的聚合物,使油 脂黏度升高,外观变稠;并发生分解反应生成小分 子的醛、酮、酸,使油脂烟点降低、色泽加深,产生哈 喇味,影响了油脂的食用和营养价值。因此,虫油应 在低温、避光、隔绝氧气的条件下保存。 本文选用索氏提取法提取黄粉虫幼虫油脂,但 尚未对成虫及蛹体内的油脂进行研究,今后还需要 进一步研究黄粉虫各个发育阶段油脂含量及脂肪酸 组成,并探索新方法对油脂提取率的影响。 参 考 文 献 高爱华,陈月明.2005.浅谈黄粉虫.中学生物学,21(1):17—18. 黄文,王芙蓉,刘 彬,等.2005.黄粉甲幼虫抗菌物质的诱导及 其抗菌活性.昆虫学报,48(1):7—12. 李孟楼,李生梅,王敦,等.2006.五种昆虫脂肪酸组成与含量分析. 昆虫知识,43(2):226—228. 刘高强,魏美才,刘卫星.2008.从马尾松毛虫蛹中制备甲壳素和壳聚 糖.林业科学,44(3):107—112. 陆婕,钟雅,柳林,等.2007.家蝇蛆抗菌肽提取工艺研究.昆虫 学报,50(2):106—112. 万本屹,董海洲,刘传富.2001.黄粉虫油脂精炼工艺研究.粮食与油 脂,(1O):30—31. 王立新,王姗姗,戴四发,等.2009.黄粉虫不同生长阶段诱导抗菌 肽的效果分析.中国农学通报,25(5):l0一l3. 王敦,胡景江,刘铭汤.2004.从臭蜣螂中提取甲壳素/壳聚糖的研 究.林业科学,40(5):180—185. 王文亮,孙爱东.2005.黄粉虫食品研究开发现状及发展前景.中国食 物与营养,(6):18—20. 王文亮,孙守义,王守经,等.2007.中国黄粉虫食品研究开发现状及 发展前景.世界农业,(9):5O一52. 王文亮,王守经,邓鹏,等.2008.利用溶剂法对黄粉虫油脂提取工 艺的初探.食品工业科技,29(10):162—164. 王小平,徐冠军,刘毅琳.1998.黄粉虫幼虫抗菌物质的抑菌作用研 究.华中农业大学学报,17(6):534—536. 王仲礼.2003.昆虫油脂功能性成分的开发.中国油脂,28(6):33 —34. 吴玛莉,朱家颖,胡萃,等.2008.蝶蛹金小蜂毒液蛋白不同提取分 离方法的比较.昆虫学报,51(11):1144—1150. 严善春,魏婧,王雷,等.2005.肥须亚麻蝇和巨尾阿丽蝇的营养 价值.林业科学,41(6):105—108. 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